DE3783897T2 - Verfahren zur herstellung von matrizen fuer plattierungsverfahren. - Google Patents

Verfahren zur herstellung von matrizen fuer plattierungsverfahren.

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Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Elektroplattierung oder Galvanisierung. Insbesondere betrifft die Erfindung das Gebiet der Herstellung von Patrizen unter Einsatz von Dünnfilmverfahren. Zusätzlich sieht die Erfindung vor, Vorrichtungen durch Galvanoformung oder Elektroformung einer Metallschicht auf der Patrize herzustellen.
  • Die US-PS 3,703,450 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines leitenden Präzisions-Maschensiebes oder -gitters. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Patrize hergestellt. Die Patrize nach dem Stand der Technik wird aufgebaut, indem eine Masterplatte mit dem Siebmuster auf ein Glas-Substrat gelegt wird und ein Dünnfilm durch die Zwischenräume auf die Masterplatte aufgedampft wird, um das Siebmuster auf dem Glas aus zubilden. Nach Entfernen der Masterplatte von dem Glas-Substrat wird bei diesen Verfahren ein Fotoresist über der gesamten Glasplatte aufgebracht. Danach wird bei diesem Verfahren das Fotoresist belichtet und entwickelt, um eine Dünnfilmschicht in einem Siebmuster auszubilden, das mit einer Fotoresistschicht in demselben Siebmuster bedeckt ist. Daraufhin wird auf dem gesamten Glassubstrat Siliciummonoxid niedergeschlagen, und schließlich das Siliciummonoxid und das Fotoresist von dem Dünnfilmmuster entfernt. Die nicht wiederverwendbare Patrize ist nun bereit zum Herstellen des Siebes oder Gitters. Die Patrize nach dem Stand der Technik hat verschiedene Nachteile. Mit ihr können keine Vorrichtungen mit kleinen Abmessungen hergestellt werden, wie in der weiter unten diskutierten US-PS 4,549,939 ausgeführt ist. Ferner erzielt das komplizierte Verfahren zum Herstellen dieser Patrize nach dem Stand der Technik nur eine geringe Ausbeute.
  • Die US-PS 4,549,939 und die EP 0 163 130 beschreiben eine andere Art einer Dünnfilm-Patrize nach dem Stand der Technik und ein Verfahren zu deren Herstellung. Gemäß diesem Verfahren nach dem Stand der Technik wird die Patrize nach dem Stand der Technik durch Ausbilden einer farbigen Muster-Abschirmung auf einem Glassubstrat und Aufbringen eines leitenden transparenten Dünnfilmes auf das Substrat hergestellt. Darauf beschichtet dieses Verfahren nach dem Stand der Technik den Dünnfilm mit einem Abdecklack oder Resist und leuchtet Licht durch das Glassubstrat und den transparenten Dünnfilm, um das unabgeschirmte Fotoresist zu belichten. Das Fotoresist wird schließlich entwickelt und bildet die Form für die Galvanoformung. Die gemäß diesem Verfahren ausgebildete Patrize nach dem Stand der Technik hat verschiedene Nachteile. Sie ist nicht wiederverwendbar und von geringer Qualität, weil das Resist nach dem Elektro- oder Galvanoformungszyklus bricht. Zusätzlich erfordert sie die Verwendung eines leitenden Dünnfilms, der transparent ist; ein teurer und exotischer Werkstoff. Die US-PS 4,528,577 beschreibt eine weitere Patrize nach dem Stand der Technik und ein Verfahren zu deren Herstellung. Mit diesem Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Düsenplatten für thermische Tintenstrahl-Druckköpfe wird galvanisch Nickel auf eine Patrizenplatte aus rostfreiem Stahl aufgebracht, die entweder ein vorgeätztes Düsenmuster oder ein Fotoresist-Düsenmuster aufweist. Unglücklicherweise weisen Patrizenplatten aus rostfreiem Stahl oder Edelstahl immer eine gewisse Anzahl von Kratzern und Fehlern auf. Diese Kratzer und Fehler sind durch Eigenschaften des Edelstahlwerkstoffes und durch das Herstellungsverfahren verursacht. Die Kratzer und Fehler, die nicht behoben werden können, verschlechtern die Qualität der Düsenplatten, die aus Edelstahl-Patrizen hergestellt werden. Diese minderwertigen Düsenplatten erzeugen eine minderwertige Druckqualität. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung vermeiden diese Nachteile der Patrizen nach dem Stand der Technik.
  • Die JP-A-53 83 864 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Patrize mit den folgenden Verfahrensschritten: Ablagern einer leitenden Schicht auf einem Substrat; Ablagern einer Fotoresistschicht auf der leitenden Schicht; und Ätzen der leitenden Schicht, um eine Patrize mit einem Muster aus Vorsprüngen auf der Oberfläche des Substrates auszubilden.
  • Das Fotoresist wird auf die leitende Schicht in einem dem Muster der Vorsprünge entsprechenden Muster aufgedruckt.
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Herstellen einer Patrize zur Verwendung in einem Ablagerungs- oder Plattierungsverfahren vorgesehen, mit den Verfahrensschritten: Ablagern einer leitenden Schicht auf einem Substrat; Ablagern einer dielektrischen Schicht auf der leitenden Schicht; Ablagern einer Fotoresist- Schicht auf der dielektrischen Schicht; Belichten und Entwickeln des Fotoresistes; und Ätzen der dielektrischen Schicht durch die sich ergebende gemusterte Schicht, um eine Patrize mit einem Muster von Vorsprüngen auf der Oberfläche der ersten Schicht auszubilden.
  • Erfindungsgemäß weist die wiederverwendbare Patrize ein Glas- Substrat mit einer leitenden Filmschicht und einer dielektrischen Schicht auf. Die dielektrische Schicht wurde zum Bilden einer Matrize geätzt. Erfindungsgemäß lagert das Verfahren zum Herstellen einer wiederverwendbaren Patrize einen leitenden Film, wie einen Metallfilm, auf einem glatten Substrat, wie einem polierten Siliciumwafer, einem Glas Substrat oder einem Kunststoffsubstrat, ab. Darauf bildet das Verfahren eine Patrize durch Ablagern eines dielektrischen Filmes auf dem metallisierten Substrat, indem ein fotolithografisches Standardverfahren verwendet wird, um ein Resistmuster auf dem dielektrischen Film zu definieren, und indem der unmaskierte dielektrische Film mit einem Plasmaätzverfahren entfernt wird. Schließlich streift das Verfahren das Fotoresist ab, und die Patrize ist zum Gebrauch bereit.
  • Eine Dünnfilmpatrize hat den Vorteil, daß mit ihr Präzisionsvorrichtungen hoher Qualität erzeugt werden können. Dieser Vorteil ergibt sich aus der fehlerfreien Oberfläche des Dünnfilmes und der durch die fotolithografischen Standardverfahren und Ätzverfahren hergestellten Präzisionsmatrizen. Zusätzlich hat die Dünnfilm-Patrize den Vorteil, daß mit ihr Präzisionsvorrichtungen hoher Qualität billig produziert werden können. Dieser Vorteil ergibt sich aus dem kostengünstigen Verfahren zum Herstellen der Patrize und den kostengünstigen Verfahren zum Verwenden der Patrize. Mit Dünnfilm-Patrizen können eine grobe Vielzahl von Vorrichtungen hergestellt werden. Vorrichtungen, die traditionell mit hochgenauen spanabhebenden Verfahren, wie Laserbearbeitung, mechanische Bearbeitung und chemisches Atzen hergestellt wurden, können bei Verwendung der Dünnfilm-Patrize mit einem Galvanoformungsverfahren hergestellt werden. Das Galvano-formungsverfahren, welches die Dünnfilm-Patrize verwendet, erzeugt Vorrichtungen mit derselben oder besserer Qualität als solche durch Präzisions-Bearbeitung hergestellte, und die mit dem Dünnfilm-Verfahren hergestellten Vorrichtung sind wesentlich billiger.
  • Die Betriebs- und Leistungsfähigkeit von Tintenstrahl-Druckköpfen hängt von der Qualität der Düsenplatten ab. Düsen hoher Qualität erzielen Drucke hoher Qualität. Ein Vorteil dieser Erfindung ist daher das Erzeugen von Präzisions-Düsenplatten hoher Qualität für Tintenstrahldrucker, die zu einer höheren Druckqualität führen. Zusätzlich kann die Dünnfilm-Patrize zum Herstellen von Bauteilen für andere Arten von Druckern oder für medizinische Vorrichtungen verwendet werden.
  • Fig. 1A-1B zeigen eine wiederverwendbare Patrize.
  • Fig. 2A-2G zeigen die Schritte beim Herstellen einer wiederverwendbaren Patrize.
  • Fig. 3A-3B zeigen eine Vorrichtung, die mit der wiederverwendbaren Patrize hergestellt wird.
  • Fig. 4A-4C zeigen eine Düsenplatte, die mit der wiederverwendbaren Patrize hergestellt wird.
  • Fig. 1A und 1B zeigen die wiederverwendbare Patrize 1-9. Diese weist eine leitende Dünnfilmschicht 1-3 auf, die auf einem Glas-Substrat oder einem polierten Siliciumwafer oder einem Kunststoffsubstrat 1-7 abgelagert ist. Die Dünnfilmschicht 1-3 kann im Bereich von 10 nm (100 Angstroem) bis 200 um (200 Micron) liegen. Bei anderen Ausführungsformen der wiederverwendbaren Patrize könnte anstelle der leitenden Dünnfilmschicht eine leitende Dickfilmschicht verwendet werden. Diese Dickfilmschichten können im Bereich von 25 um (25 Micron) bis 10 mm Dicke liegen, es sind jedoch Schichten mit anderen Dickenbereichen möglich. Die Filmschicht 1-3 weist eine Chromschicht 1- 11 und eine Schicht aus nicht rostendem Stahl oder Edelstahlschicht 1-5 auf. Die Chromschicht 1-11 haftet fest an dem Substrat 1-7 und schafft eine Oberfläche, an welcher die Edelstahlschicht 1-5 haften kann. Eine dielektrische Schicht 1-1 liegt oben auf der Filmschicht 1-3. Diese dielektrische Schicht 1-7 ist gemustert und geätzt, um eine Matrize oder Form zu bilden.
  • Das in Fig. 2A-2G gezeigte Verfahren zum Herstellen einer wiederverwendbaren Patrize beginnt mit einem Glas-Substrat oder einem Siliciumwafer, oder einem polierten Siliciumwafer, oder einem Kunststoff oder einer anderen glatten, nicht leitenden Oberfläche 2-1, wie in Fig. 2A gezeigt. Ein Vakuumablagerungs- oder Platierungsverfahren, wie das planare Magnetronverfahren, setzt einen leitenden Dünnfilm 2-3 ab. Dieser Dünnfilm 2-3 besteht aus Chrom oder nicht rostendem Stahl. Andere Ausführungsformen könnten jedoch andere leitende Werkstoffe verwenden. Mit einem weiteren Vakuum-Ablagerungsprozeß wird eine dielektrische Schicht 2-5 auf die Dünnfilmschicht 2-3 aufgebracht. Alternativ kann die dielektrische Schicht durch Spin- Beschichtung aufgebracht werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein mit Plasma verbesserter chemischer Aufdampfungsprozeß verwendet, um eine dielektrische Schicht 2-5 aus Siliciumnitrid abzulagern. Andere Ausführungsformen können jedoch andere nicht leitende Werkstoffe verwenden. Daraufhin wird eine Fotoresistschicht 2-7 auf die dielektrische Schicht 2-5 aufgebracht. Abhängig von der Belichtungsmaske oder Fotomaske 2-11 wird entweder ein positiver oder ein negativer Fotoresistlack auf die dielektrische Schicht 2-5 aufgebracht. Dann wird die Fotomaske 2-11 in die Nähe der Fotoresistschicht 2-5 gebracht und ultraviolettem Licht ausgesetzt, wie in Fig. 2E gezeigt. Die Fotoresistschicht 2-7 wird dann entwickelt, um das Muster der Fotomasken 2-11 in der Fotoresistschicht 2-7 zu erhalten. Diese gemusterte Fotoresistschicht 2-7 dient als eine Maske für die dielektrische Schicht 2-5. Daraufhin entfernt ein Ätzverfahren, wie Plasmaätzen, den nicht maskierten dielektrischen Film 2-5. Nach Entfernen des verbleibenden Fotoresistes weist die wiederverwendbare Patrize 2-9 eine gemusterte, dielektrische Schicht 2-13 auf der Edelstahlschicht 2-3 auf, wie in Fig. 2G gezeigt. Diese wiederverwendbare Patrize ist nun zum Herstellen von Vorrichtungen bereit.
  • Um Vorrichtungen unter Verwendung der wiederverwendbaren Patrize herzustellen, wird die Patrize in ein in Fig. 3A gezeigtes galvanisches Bad 3-1 eingebracht. Die wiederverwendbare Patrize wird zur Kathode 3-9. Die Ausgangsmaterial-Platte 3-5, welche das Galvanoformungsmaterial liefert, ist die Anode. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Metallplatte 3-5 aus Nickel. Während des Elektroformungsverfahrens, oder Galvanoformungsverfahrens, wird Metall von der Anoden- Metallplatte 3-5 zu der Kathoden-Patrize 3-9 übertragen. Das Metall haftet an den leitenden Bereichen der Kathoden-Patrize 3-9. Das-Metall haftet also an der-leitenden Filmschicht 3-11, jedoch nicht an den dielektrischen Bereichen des Musters 3-13. Das Galvanoformungsverfahren wird fortgesetzt, bis die Vorrichtung 3-7 die gewünschte Dicke aufweist. Wenn dieser Punkt erreicht ist, wird die Vorrichtung 3-7 von der Kathoden-Patrize 3-9 getrennt, wie in Fig. 3B gezeigt.
  • Eine wiederverwendbare Patrize 4-9 zum Herstellen von Düsenplatten 4-7 ist in Fig. 4A gezeigt. Die Patrize 4-9 weist einen Chrom/Edelstahl-Dünnfilm 4-3 auf (in Fig. 3B nicht gezeigt). Auf diesem Film 4-3 liegt ein Siliciumnitrid-Muster 4-5 zum Formen der Düsenplatte 4-7. Wenn diese Patrize einmal gebildet ist, wird die Düsenplatte 4-7 geformt, die in Fig. 4B gezeigt ist. Fig. 4C zeigt einen Querschnitt durch die Düsenplatte 4-7 mit einer Öffnung oder Düse 4-1.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen einer Patrize zur Verwendung bei einem Ablagerungsprozeß, mit den Schritten des Ablagerns einer leitenden Schicht (2-3) auf einem Substrat (2-1); Ablagern einer dielektrischen Schicht (2-5) auf der leitenden Schicht; Ablagern einer Photoresist-Schicht (2-7) auf der dielektrischen Schicht; Belichten und Entwickeln der Photoresist-Schicht und Ätzen der dielektrischen Schicht (2-5) durch die erhaltene gemusterte Schicht (2-7), um eine Patrize (2-9) mit einem Muster von Vorsprüngen (2-13) auf der Oberfläche der ersten Schicht zu formen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die leitende Schicht (2-3) durch Aufdampfen abgelagert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die dielektrische Schicht (2-5) durch Spin-Beschichten abgelagert ist.
4. Verfahren zum Herstellen eines gelochten Produktes< bei dem eine Patrize (4-3) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt wird, Metall (4-7) auf der Patrize so abgelagert wird, daß eine Schicht mit Öffnungen über den Vorsprüngen (4-5) geformt wird und die Schicht von der Patrize (4-3) abgestreift wird.
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